加芯攪拌樁芯樁定位限垂技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

羅力軍

中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司，湖北 十堰 442000

加芯攪拌樁是一種由水泥土攪拌樁和預(yù)制芯樁組成的復(fù)合樁，在水泥土攪拌樁固結(jié)前貫入預(yù)制芯樁，將兩者有機(jī)結(jié)合為一體［1］。加芯攪拌樁綜合了混凝土預(yù)制樁和水泥土攪拌樁的優(yōu)點(diǎn)，既能充分發(fā)揮芯樁強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，又可充分利用水泥土攪拌樁較高的側(cè)摩阻力，有效提高樁體承載性能［2-3］。其樁身強(qiáng)度和承載力較攪拌樁可提高2～10倍，較同直徑鉆孔樁可提高30%以上［4］。并且，具有成樁速度較快、造價(jià)低廉、成樁質(zhì)量高和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具開(kāi)發(fā)前景的新型樁［5］。近年來(lái)，隨著工程建設(shè)對(duì)軟土地基承載力和沉降要求的不斷提高，加芯攪拌樁受到工程界的廣泛關(guān)注，已成為軟基加固的重要方法［6-8］。

伴隨著加芯攪拌樁應(yīng)用的日漸廣泛，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其施工工藝及質(zhì)量控制等方面的研究也日益興起。趙欣［9］和傅國(guó)強(qiáng)［10］等在污水處理廠樁基工程中對(duì)單軸攪拌樁樁架進(jìn)行機(jī)械改造，將加芯攪拌樁的打設(shè)深度增長(zhǎng)至42.5 m，并提煉出一套超高密度加芯攪拌樁的群樁施工工藝。陳佐林［11］為提高鐵路車(chē)站軟土樁基的施工質(zhì)量，在多向加芯攪拌樁施工中提出“一噴四攪”施工工藝和一套有效的質(zhì)量控制方法。商志清［12］對(duì)12根試樁開(kāi)展工藝試驗(yàn)研究，確定了水利工程中加芯攪拌樁的四攪二噴濕噴成樁工藝。上述研究促進(jìn)了加芯攪拌樁施工技術(shù)的日益成熟，但在施工條件日趨多樣化的背景下，設(shè)備研發(fā)和施工技術(shù)創(chuàng)新仍是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。加芯攪拌樁由于高強(qiáng)度芯樁的引入而呈雙層擴(kuò)散的荷載傳遞模式［13］，可有效改善荷載傳遞途徑和深度［14］，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料樁高承載低沉降［15］的特性，芯樁就是加芯攪拌樁的核心。然而，工程實(shí)踐中，芯樁的偏位和傾斜常有發(fā)生，造成加芯攪拌樁受力特性改變，進(jìn)而影響樁體承載力的正常發(fā)揮。因此，芯樁貫入質(zhì)量是加芯攪拌樁質(zhì)量控制的關(guān)鍵，芯樁的定位限垂技術(shù)成了施工工藝研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文結(jié)合新疆地區(qū)鐵路配套設(shè)施樁基工程實(shí)際條件，對(duì)加芯攪拌樁的兩種傳統(tǒng)工法進(jìn)行可行性分析后，基于現(xiàn)場(chǎng)試樁工藝試驗(yàn)，研發(fā)了一種簡(jiǎn)易化的芯樁貫入定位限垂挑臂裝置，總結(jié)了一套較系統(tǒng)的加芯攪拌樁施工技術(shù)。并且，該技術(shù)首次成功應(yīng)用于新疆地區(qū)23 450根樁基工程，樁基質(zhì)量高、成樁速度快，可為今后同類(lèi)工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件及地基處理技術(shù)

莎車(chē)縣火車(chē)西站鐵路物流中心鐵路專用線S1標(biāo)北側(cè)貨物線場(chǎng)坪及通站道路工程位于喀什地區(qū)莎車(chē)縣，屬于重點(diǎn)扶貧攻堅(jiān)工程——莎車(chē)縣火車(chē)西站鐵路物流中心鐵路專用線工程的重要部分。項(xiàng)目處于葉爾羌河、提孜那甫河沖擊平原區(qū)，河網(wǎng)水系、渠系發(fā)育。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，該區(qū)域內(nèi)無(wú)基巖出露，地表沉積物以砂質(zhì)-粘質(zhì)土為主，覆蓋層厚度大于50 m。地下水較豐富，主要為第四系孔隙水，賦存于覆蓋層內(nèi)。鉆孔實(shí)測(cè)穩(wěn)定水位一般埋深為0.3～2.2 m，最大埋深為3.8 m，高程為1 231.600～1 236.138 m，水量較大。該工程呈明顯的厚層高含水量軟土地質(zhì)條件，應(yīng)采用加芯攪拌樁進(jìn)行地基處理。

本項(xiàng)目基礎(chǔ)采用23 450根水泥土加芯攪拌樁，芯樁采用鋼筋混凝土預(yù)制樁。樁間距1.2 m，呈正三角形布置，樁徑為0.5 m，樁長(zhǎng)5～11.7 m，打入下臥層深度不小于0.5 m。單節(jié)芯樁采用頂截面為200 mm×200 mm，底截面為150 mm×150 mm倒四方棱臺(tái)形；多節(jié)樁首節(jié)芯樁采用單節(jié)芯樁，其它節(jié)芯樁采用截面為150 mm×150 mm四方柱形，各節(jié)芯樁通過(guò)鋼套筒硫磺膠泥連接。

1.2 施工工藝及現(xiàn)有施工方法

加芯攪拌樁施工大體上由前期水泥土攪拌外樁施工和后期壓入芯樁施工兩部分組成，如圖1所示。施工流程如圖2所示，具體為：測(cè)放樁位→樁位復(fù)核→水泥土攪拌樁機(jī)就位→水泥土攪拌樁施工→靜壓樁機(jī)就位（6 h內(nèi)）→樁位復(fù)核→靜壓樁機(jī)壓樁→成樁完畢→移至下一根施工。

圖2 加芯攪拌樁施工流程Fig.2 Construction flow of cement soil cored mixing pile

目前，根據(jù)機(jī)械配備的不同，加芯攪拌樁施工方法分為兩類(lèi)。1）壓樁設(shè)備配合攪拌樁機(jī)作業(yè)法，如圖3（a）所示。由攪拌樁機(jī)施工水泥土攪拌外樁后，采用壓樁機(jī)或在挖掘機(jī)上增加壓樁設(shè)備將預(yù)制芯樁壓入水泥土攪拌樁，形成勁性復(fù)合樁。2）一體式加芯樁機(jī)作業(yè)法，如圖3（b）所示。壓樁設(shè)備安裝在攪拌樁機(jī)上，水泥土攪拌樁施工成型后，將攪拌樁機(jī)移位，并將預(yù)制芯樁起吊送入導(dǎo)向支架，最后將芯樁緩慢壓入攪拌樁樁體，形成勁性復(fù)合樁。前者需單獨(dú)配置壓樁設(shè)備，不僅投入成本高，而且施工空間大、速度慢、效率低，同時(shí)壓樁過(guò)程中芯樁垂直度控制較差。后者施工簡(jiǎn)便且施工速度快、效率高，且壓樁過(guò)程中芯樁垂直度易控制。

圖3 兩類(lèi)加芯攪拌樁施工方法：（a）壓樁設(shè)備配合攪拌樁機(jī)，（b）一體式加芯樁機(jī)Fig.3 Τwo types of construction methods for cement soil cored mixing piles：（a）pile driver with pile-pressing equipment，（b）integrated pile driver

1.3 現(xiàn)有工法可行性分析

莎車(chē)縣火車(chē)西站鐵路物流中心鐵路專用線S1標(biāo)北側(cè)貨物線場(chǎng)坪及通站道路工程含約12 000 m2線場(chǎng)坪和2 km道路，于2020年9月開(kāi)工，計(jì)劃工期僅1年。工期緊，工程量大，且新疆地區(qū)缺乏勁性復(fù)合樁施工經(jīng)驗(yàn)，23 450根加芯攪拌樁施工就成了整個(gè)項(xiàng)目的重點(diǎn)控制性工程。根據(jù)工程實(shí)際，表1從技術(shù)、設(shè)備和工期三方面對(duì)比分析了現(xiàn)有兩種施工方法的可行性。

表1 加芯攪拌樁兩種傳統(tǒng)施工方法優(yōu)缺點(diǎn)比較Τab.1 Comparison of two conventional construction methods of cement soil cored mixing piles

由表1分析可知，現(xiàn)有兩種施工方法均無(wú)法滿足本項(xiàng)目加芯攪拌樁的施工需求，施工機(jī)械成了影響施工進(jìn)度和質(zhì)量的關(guān)鍵。在施工機(jī)械設(shè)備受新冠疫情影響跨省調(diào)配受限的背景下，一體式加芯樁機(jī)作業(yè)法因施工設(shè)備無(wú)法購(gòu)置而不可行，而壓樁設(shè)備配合攪拌樁機(jī)作業(yè)法不僅施工進(jìn)度慢，且芯樁定位及垂直度難以控制。因此，需結(jié)合兩種工法優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一套簡(jiǎn)易化的芯樁定位限垂技術(shù)，以保證芯樁貫入質(zhì)量，保障加芯攪拌樁的快速、高質(zhì)施工。

2 加芯攪拌樁芯樁定位限垂挑臂設(shè)計(jì)與施工

2.1 加芯攪拌樁芯樁定位限垂裝置設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目攪拌樁機(jī)與樁位間距呈現(xiàn)等間距特征，在行進(jìn)過(guò)程中攪拌樁機(jī)鉆桿位置與樁位固定。因此，參考圖4所示的一體式加芯樁機(jī)，提出一種定型導(dǎo)向架裝置——定位限垂挑臂，固定樁機(jī)鉆桿位置與樁位，使得芯樁位置與垂直度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 一體化加樁機(jī)示意Fig.4 Schematic of integrated pile driver for cement soil cored mixing piles

首先，分析定位限垂裝置應(yīng)具備的使用功能及組成方式，形成了如圖5所示的加芯攪拌樁芯樁定位限垂挑臂研發(fā)方案。

圖5 芯樁定位限垂挑臂研發(fā)方案Fig.5 Research and development program of overhang for core pile locating and verticality limiting

定位限垂裝置的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下：

1）導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：攪拌樁機(jī)完成水泥土攪拌外樁施工后，行進(jìn)至下一樁位。由于加芯攪拌樁的樁間距為1.2 m，鉆桿至攪拌樁機(jī)水平方向邊緣的距離為0.68 m，為固定鉆桿位置與樁位，只需要將導(dǎo)向架長(zhǎng)度控制在0.52 m，即為攪拌外樁的中心位置。為了保證芯樁垂直貫入，在導(dǎo)向架前沿將預(yù)制芯樁定位板焊接成90°槽口，使樁芯可沿著槽口垂直貫入，總體設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 芯樁定位限垂挑臂總體設(shè)計(jì)Fig.6 Overall design of overhang for core pile locating and verticality limiting

2）導(dǎo)向架材料設(shè)計(jì)：分析芯樁垂直度控制過(guò)程，設(shè)計(jì)導(dǎo)向架剛度。首先改變導(dǎo)向架材質(zhì)和尺寸，模擬計(jì)算導(dǎo)向架在芯樁貫入過(guò)程的變形和受力。然后，從經(jīng)濟(jì)、安全及加工難度等多方面進(jìn)行對(duì)比分析，確定導(dǎo)向架選用10 mm厚鋼板焊接結(jié)構(gòu)，以保證挑臂具有足夠的剛度及垂直度。

3）定位板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：定位板尺寸是影響芯樁貫入質(zhì)量的關(guān)鍵，尺寸不合理會(huì)導(dǎo)致芯樁偏移和傾斜。因此，結(jié)合實(shí)際工程芯樁尺寸及其貫入施工質(zhì)量影響因素，設(shè)計(jì)不同尺寸的定位板，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試樁工藝試驗(yàn)獲取芯樁定位和傾斜數(shù)據(jù)，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，確定定位板最優(yōu)尺寸。并且，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，優(yōu)化的定位板能滿足芯樁定位和垂直度的精度要求。最終，定位限垂挑臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳圖及立體圖分別見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 芯樁定位限垂挑臂設(shè)計(jì)圖：（a）立面圖，（b）俯視圖，（c）剖面圖Fig.7 Diagrams of overhang for core pilelocating and verticality limiting：（a）elevation，（b）top view，（c）cross-section

2.2 芯樁貫入施工技術(shù)

1）測(cè)量定位：混凝土芯樁貫入前，必須精確進(jìn)行施工測(cè)量，將預(yù)制樁芯縱橫向中心線用墨線標(biāo)記出來(lái)，施工時(shí)根據(jù)芯樁中心線對(duì)位定位板工裝檐口中心線。

2）導(dǎo)向架定位：水泥攪拌樁機(jī)完成水泥土攪拌外樁施工后，行進(jìn)到下一樁位，將鉆桿與樁位位置固定，調(diào)整導(dǎo)向架定位板對(duì)準(zhǔn)施工完畢的水泥土攪拌樁中心。

3）芯樁貫入：芯樁應(yīng)在水泥土攪拌外樁施工完成后及時(shí)貫入，宜控制在攪拌外樁施工完成后6 h以內(nèi)。在鋼板槽口安裝與預(yù)制芯樁相同尺寸大小的套箍，槽口與鋼板之間安裝滑輪。施工開(kāi)始后，啟動(dòng)振動(dòng)器和鋼絲繩加壓系統(tǒng)，加壓器及樁芯因自重沿著滑輪逐步下沉，樁芯端部位置接近地面時(shí)，重新復(fù)核樁位；然后啟動(dòng)加壓設(shè)備振動(dòng)沉樁，平穩(wěn)連續(xù)不間斷地加壓芯樁，勻速壓入至控制高程。

沉樁時(shí)，芯樁居中，樁位偏差不應(yīng)大于10 mm；且樁身應(yīng)垂直，垂直度偏差不應(yīng)超過(guò)0.5%。當(dāng)樁芯垂直度出現(xiàn)偏差后，滑輪會(huì)矯正其垂直度，直至壓至設(shè)計(jì)深度。單節(jié)樁應(yīng)一次性連續(xù)沉樁到位，接樁、送樁應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，中間停歇時(shí)間不應(yīng)超過(guò)30 min。芯樁貫入施工現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

圖9 加芯攪拌樁芯樁貫入施工Fig.9 Penetration construction of core pile in cement soil cored mixing piles

3 加芯攪拌樁芯樁定位限垂技術(shù)應(yīng)用研究

為驗(yàn)證芯樁定位限垂挑臂及施工技術(shù)的實(shí)際效果，將其應(yīng)用于莎車(chē)縣火車(chē)西站鐵路物流中心鐵路專用線S1標(biāo)北側(cè)貨物線場(chǎng)坪及通站道路樁基工程中。表2和表3分別列出了未采用和采用定位限垂技術(shù)的加芯攪拌樁的芯樁貫入質(zhì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中抽查未采用定位限垂技術(shù)施工的加芯攪拌樁5個(gè)區(qū)塊，共200根，而采用定位限垂技術(shù)施工的加芯攪拌樁6個(gè)部位，共600根。

由表2和表3的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，未采用定位限垂技術(shù)施工的加芯攪拌樁的芯樁貫入質(zhì)量合格率偏低，5個(gè)抽檢區(qū)塊的合格率基本低于80.0%，最大為82.5%，而最低為70.0%。200根抽檢樁中，有49根樁不合格，芯樁垂直度和樁位偏位不合格的樁數(shù)分別為24和25，總合格率為75.5%。采用定位限垂技術(shù)的加芯攪拌樁的芯樁貫入質(zhì)量合格率得到顯著提高，6個(gè)抽檢區(qū)塊的合格率均為96%和97%。600根抽檢樁中，僅有20根樁不合格，芯樁垂直度和樁位偏位不合格的樁數(shù)均為10，總合格率為96.7%。因此，研發(fā)的加芯攪拌樁定位限垂技術(shù)可有效控制加芯攪拌樁的芯樁垂直度和樁位，大幅提升芯樁貫入質(zhì)量。

表3 定位限垂技術(shù)施工芯樁貫入質(zhì)量統(tǒng)計(jì)Τab.3 Statistical data of penetration quality of core piles using locating and verticality limiting technology

至2021年3月20日本項(xiàng)目已完成23 450根加芯攪拌樁的施工，比原計(jì)劃工期提前了約30 d，且施工中未發(fā)生事故。其中，前期采用壓樁設(shè)備配合攪拌樁機(jī)作業(yè)法施工加芯攪拌樁4 680根，工期約2個(gè)月；后期應(yīng)用了研制的定位限垂挑臂裝置后，施工樁基18 770根，工期約4個(gè)月。由此可見(jiàn)，與壓樁設(shè)備配合攪拌樁機(jī)作業(yè)法相比，研發(fā)的加芯攪拌樁定位限垂技術(shù)可提升加芯攪拌樁施工效率約1倍，顯著加快了施工進(jìn)度。

4 結(jié) 論

本文以新疆莎車(chē)縣火車(chē)西站鐵路物流中心鐵路專用線項(xiàng)目23 450根加芯攪拌樁為依托，研發(fā)了一套簡(jiǎn)易的加芯攪拌樁芯樁貫入定位限垂挑臂設(shè)備，并進(jìn)行應(yīng)用研究。

1）現(xiàn)有的壓樁設(shè)備配合攪拌樁機(jī)作業(yè)法和一體式加芯樁機(jī)作業(yè)法在新冠疫情期間新疆地區(qū)的攪拌樁施工均不可行，前者存在施工效率低及芯樁貫入質(zhì)量控制難度大的弊端，而后者存在機(jī)械笨重及設(shè)備成本高的缺點(diǎn)。因此，研發(fā)一套簡(jiǎn)易化的芯樁貫入定位限垂技術(shù)是新疆地區(qū)深厚層軟土地基處理的迫切之需，且契合國(guó)家“綠色發(fā)展、低碳環(huán)保”理念。

2）為控制芯樁垂直度和定位精度，在分析加芯攪拌樁的施工工藝基礎(chǔ)上，提出了采用“芯樁定位導(dǎo)向架”方案，利用現(xiàn)場(chǎng)試樁試驗(yàn)對(duì)導(dǎo)向架和定位板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成一種簡(jiǎn)易化的加芯攪拌樁芯樁定位限垂挑臂裝置和相應(yīng)的加芯攪拌樁施工技術(shù)。

3）研發(fā)的加芯攪拌樁定位限垂技術(shù)可有效控制芯樁的定位和垂直度，顯著提升加芯攪拌樁的施工效率和施工質(zhì)量，施工的樁基合格率平均值高達(dá)96.7%，且施工速率對(duì)傳統(tǒng)的壓樁設(shè)備配合攪拌樁機(jī)作業(yè)法提升了1倍。

4）芯樁貫入定位限垂挑臂在本工程的應(yīng)用，是新疆地區(qū)軟基處理的首個(gè)成功案例，且形成了一系列的關(guān)鍵技術(shù)，可進(jìn)一步提煉和總結(jié)，系統(tǒng)集成技術(shù)要點(diǎn)，在今后項(xiàng)目中繼續(xù)推廣運(yùn)用，從而推動(dòng)我國(guó)交通行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，提高我國(guó)土木施工行業(yè)的技術(shù)水平。